Лекции.Орг


Поиск:




Лекция 17. Цифровые частотомеры

Цифровые частотомеры — довольно распространенные измерительные приборы, используемые в самых различных отраслях науки, техники, промышленности для оценки частотно-временных параметров электрических сигналов. Они работают в очень широком диапазоне значений измеряемых частот периодических сигналов (или их периода).

Современные цифровые частотомеры обеспечивают самые высокие метрологические характеристики (точность и разрешающую способность) среди всех прочих ЦИП, отличаются достаточно высоким быстродействием, широкими функциональными возможностями, простотой эксплуатации, высокой надежностью.

Помимо измерения частотно-временных параметров периодических сигналов, современные цифровые частотомеры применяются и для измерения различных физических величин. Для этого необходимо подключать к ним вспомогательные первичные измерительные преобразователи (датчики), имеющие выходные сигналы, частота или период (длительность) которых пропорциональны измеряемой величине. Например, цифровые частотомеры можно использовать для измерения скорости вращения вала двигателя, расхода жидкости в трубопроводе, скорости потока воздуха. Они также находят применение в качестве генераторов стабильных частот и таймеров, постоянных или программируемых интервалов времени. Кроме того, с помощью цифровых частотомеров можно легко организовать подсчет числа импульсов (числа событий).

Практически все цифровые частотомеры обеспечивают два основных режима работы: измерения частоты и измерения периода (длительности интервала времени).

Режим измерения частоты. Упрощенная структура цифрового частотомера, реализующая режим измерения частоты, показана на (рис. 8.22 а), а временные диаграммы работы в этом режиме приведены на (рис. 8.22 б). Исследуемый периодический сигнал 1 (соответственно диаграмма 1) подается на вход усилителя - ограничителя УО, где преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов 2 (диаграмма 2) фиксированной амплитуды, частота которых равна частоте fxвходного сигнала. Далее этот сигнал поступает на вход электронного ключа, которым управляет таймер, периодически замыкающий его на постоянный стабильный интервал времени 3 (диаграмма 3), например T 0 = 1 c. Сформированная таким образом серия импульсов 4 (диаграмма 4) поступает на вход счетчика Сч, содержимое которого 5 в начале интервала T 0 равно нулю, а в конце интервала счета равно числу поступивших импульсовNx. Это число прямо пропорционально измеряемой частотеfx входного сигнала;

Nx = Ent [ T 0/ Tx ] = Ent [ T 0 fx ],

где Ent [...] — оператор определения целой части выражения [...]; Txпериод входного сигнала (Tx = 1 / fx); fxчастота входного сигнала.

Содержимое счетчика 5 запоминается в буферном запоминающем устройстве ЗУ и хранится там до окончания следующего цикла измерения и переписи нового результата. Одновременно результат поступает на цифровое отсчетное устройство (индикатор Ин). Если, например, в течение интервала T 0 = 1 c на вход счетчика поступило 254 импульса, то, следовательно, частота входного сигнала fx = 254 Гц. Прибор работает циклически, т.е. в начале каждого нового цикла счетчик обнуляется. Таким образом, результат измерения периодически обновляется. Отметим, что форма периодического сигнала значения не имеет.

В реальных цифровых частотомерах имеется несколько диапазонов измерения частоты, т.е. формируется несколько различных по длительности стабильных интервалов T 0 (например, T 01 = 0,1 c; T 02 = 1.0 c; T 03 = 10 c). При работе с цифровым частотомером в режиме измерения частоты важным является правильный выбор диапазона, т.е. выбор интервала T 0, в течение которого происходит подсчет импульсов. Чем больше импульсов Nx поступит в счетчик (в пределах, конечно, максимально возможного) на интервале T 0, тем больше будет значащих цифр результата измерения на индикаторе, тем, следовательно, лучше. Общая погрешностьF результата измерения частоты fx складывается из двух составляющих: погрешности дискретностиF 1 и погрешности ∆ F 2, вызванной неточностью (неидеальностью) задания интервала времениT 0.

Погрешность дискретностиF 1 неизбежно присутствует в любом аналого - цифровом преобразовании. Отношение T 0/ Tx может быть любым, так как частота входного сигнала может иметь бесконечное множество различных значений. Понятно, что в общем случае отношение T 0/ Txдробное число. А поскольку число импульсов Nx, подсчитываемых счетчиком, может быть только целым, то в процессе такого автоматического округления возникает погрешность дискретности.

При одном и том же постоянном значении интервала T 0, в зависимости от расположения (случайного) во времени входного сигнала и интервала T 0, число импульсов, приходящихся на интервал T 0, может отличаться в ту или другую сторону на единицу. Две разные ситуации при одинаковых исходных условиях показаны на (рис. 8.23, а): в первом случае (диаграмма 1) число импульсов, поступивших в счетчик, равно пяти, а во втором (диаграмма 2) случае число импульсов равно шести.

Погрешность ∆ F 1случайная величина, поскольку входной сигнал и сигнал таймера не связаны между собой. Максимально возможное значение этой погрешности неизменно и составляет одну единицу младшего разряда — один квант:

F 1 = ±1 импульс = ±1 / T 0.

Таким образом, ∆ F 1 — это аддитивная погрешность, т.е. не зависящая от значения измеряемой величины — частоты fx (рис. 8.23 б).

Погрешность ∆ F 2, вызванная неточностью (неидеальностью) задания интервалаT 0, показана на (рис. 8.24 а). Если бы длительность интервала T 0 имела строго номинальное значение, то число импульсов, поступивших в счетчик, было бы равно N 1 (см. рис. 8.24 а). Если же интервал T 0 будет несколько больше номинального и составит T 0 + ∆ T 0, то при той же измеряемой частоте fx на счетчик поступит больше импульсов: N 2 > N 1 (см. рис. 8.24 б).

Неточность ∆ T 0 задания этого интервала приводит к появлению мультипликативной, т.е. линейно зависящейот значения измеряемой частотыfx, составляющей:

F 2 = ± fxT 0/ T 0.

Суммарная абсолютная погрешностьF результата измерения частоты fx и суммарная относительная погрешность δ F, %, соответственно;

F = ∆ F 1 + ∆ F 2 = ±[1 / T 0 + fx (∆ T 0/ T 0)];

δ F = δ F 1 + δ F 2 = ±[1 / T 0 fx + ∆ T 0/ T 0 ].

Графическая иллюстрация поведения составляющих и суммарных абсолютной и относительной погрешностей результата измерения частоты fx приведена на (рис. 8.25 а и 8.25 б) соответственно.

Рассмотрим пример определения погрешностей результата измерения частоты. Предположим, известны значения интервала T 0 = 1 c и возможная погрешность его задания ∆ T 0 = ±2 мс. Получен результат измерения частоты fx = 1 кГц.

Значения абсолютных аддитивной ∆ F 1 и мультипликативной ∆ F 2 погрешностей соответственно, Гц:

F 1 = ±1 / T 0 = ±1; fxT 0/ T 0 = ±1000 2 103 / 1 = ±2.

Значения относительных аддитивной δ F 1, и мультипликативной δ F 2 погрешностей, %, определим обычным образом:

δ F 1 = (∆ F 1/ fx)100 = ±(1 / 1000)100 = ±0,1;

δ F 2 = (∆ F 2/ fx)100 = ±(2 / 1000)100 = ±0,2.

Суммарные абсолютная ∆ F Гц, и относительная δ F %, погрешности результата измерения частоты fx соответственно:

F = ∆ F 1 + ∆ F 2 = ±3;

δ F = δ F 1 + δ F 2 = ±3.

Режим измерения периода. Упрощенная структура цифрового частотомера в режиме измерения периода приведена на (рис. 8.26 а), а временные диаграммы — на (рис. 8.26 б). В этом режиме входной периодический сигнал 1 (соответственно диаграмма 1) любой формы подается на вход формирователя периода ФП, где преобразуется в прямоугольный сигнал 2 (диаграмма 2) фиксированной амплитуды, длительность которого Tx равна периоду входного сигнала.

Далее этот сигнал поступает на управляющий вход электронного ключа и замыкает его на время Tx. На входе электронного ключа — прямоугольные импульсы 3 (диаграмма 3) стабильной известной частоты F 0, постоянно поступающие с выхода генератора тактовых импульсов ГТИ. Таким образом, на выходе ключа формируется серия прямоугольных импульсов 4 (диаграмма 4), в которой число импульсов Nx пропорционально длительности Tx:

Nx = Ent [ Tx / T 0 ] = Ent [ TxF 0 ],

где Ent [...] — оператор определения целой части выражения [...]; T 0период тактовых импульсов.

Эта серия подается в запоминающее устройство ЗУ, где и хранится до окончания следующего цикла и переписи нового результата.

Индикатор Ин позволяет считывать результат измерения. Если, например, частота импульсов генератора тактовых импульсов была установлена F 0 = 1 кГц, а содержимое счетчика Сч в конце интервала счета оказалось равным Nx = 1520, то период входного сигнала Tx = 1,52 c.

И в этом режиме цифровой частотомер работает циклически, т.е. в начале каждого нового цикла преобразования счетчик обнуляется. Таким образом, результат измерения периодически обновляется.

Обычный цифровой частотомер имеет высокочастотный стабильный генератор тактовых импульсов и цифровой делитель частоты, с помощью которого формируется несколько разных тактовых частот F 0 (например, F 01 = 1.0 кГц; F 02 = 10 кГц; F 03 = 100 кГц; F 04 = 1,0 МГц), что означает наличие нескольких возможных диапазонов измерения периода.

ПогрешностьTрезультата измерения периода (интервала времени) Tx, как и в режиме измерения частоты, содержит две составляющие: погрешность дискретности ∆ T 1 и погрешность ∆ T 2, вызванную неточностью (неидеальностью) значения F 0 частоты генератора тактовых импульсов.

Погрешность дискретности ∆ T 1, по природе аналогична рассмотренной в первом режиме и представляет собой аддитивную погрешность (рис. 8.27 а). Появление второй составляющей — погрешности ∆ T 2, вызванной неточностью (неидеальностью) иллюстрирует (рис. 8.27 б).

Если бы частота сигнала генератора тактовых импульсов была строго равна номинальной F 0, то число импульсов, поступивших в счетчик в течение интервала Tx, было бы равно N 1. Если же частота сигнала генератора тактовых импульсов будет, например, несколько больше номинальной и составит F 0 + ∆ F 0, то на том же интервале Tx в счетчик поступит больше импульсов: N 2 > N 1. Эта составляющая погрешности мультипликативна, т.е. ее значение тем больше, чем больше длительность измеряемого периода (интервала) T (рис. 8.27 в).

Суммарная абсолютная погрешность ∆ T результата измерения периода Tx и суммарная относительная погрешность δ T %, соответственно:

T = ∆ T 1 + ∆ T 2 = ±[1 / F 0 + Tx (∆ F 0/ F 0)];

δ T = δ T 1 + δ T 2 = ±(1 / F 0 Tx + ∆ F 0/ F 0).

Отдельные составляющие и суммарные погрешности результата измерения периода Tx в абсолютном и относительном видах соответственно графически представлены на (рис. 8.28). В этом режиме, чем меньше измеряемый период Tx (чем больше значение частоты fx), тем хуже, так как тем больше относительная погрешность. Для измерения сравнительно малых значений периода Tx (или сравнительно высоких частот) следует использовать первый режим цифрового частотомера — режим измерения частоты.

 

Контрольные вопросы

1 Для измерения, каких физических величин помимо измерения частотно-временных параметров применяются цифровые частотомеры?

2 Каким образом работает цифровой частотомер в режимах измерения частоты?

3 Какие погрешности возникают при работе цифрового частотомера в режимах измерения частоты?

4 Каким образом работает цифровой частотомер в режимах измерения периода?

5 Какие погрешности возникают при работе цифрового частотомера в режимах измерения периода?

 

 



<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Порядок проведения конкурса. Конкурса «Иллюстрируем произведения английских авторов» | 
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2016-12-31; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 6624 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Самообман может довести до саморазрушения. © Неизвестно
==> читать все изречения...

1035 - | 885 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.008 с.